AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE
PÓS-GRADUAÇÃO
FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS
Mauro Hugo Mathias
Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá
Programa de Pós-graduação em Mecânica
Área de Projetos
AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE
PÓS-GRADUAÇÃO
FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS
Capítulo 2 – Instrumentação aplicada ao monitoramento
Instrumentação aplicada ao monitoramento
Conteúdo do capítulo
Neste capítulo efetuaremos o estudo de:
2.1 – Transdutores de vibração;
2.2 – Sistemas de condicionamento de sinais;
2.3 – Coletores e analisadores digitais.
AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE
PÓS-GRADUAÇÃO
FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS
Capítulo 2.1 – Transdutores de vibração
Transdutores de vibração
Introdução
Para a análise de vibrações é necessário a utilização de sensores para as
medições, no entanto, dependendo da máquina a ser monitorada é
necessário uma montagem definitiva ou provisória dos sensores.
• Montagem definitiva: é eficiente na detecção de mudanças súbitas nas
assinaturas de vibração, como por exemplo no desbalanceamento
repentino das pás de um ventilador por causa da poeira acumulada;
• Montagem provisória: custo mais barato de instalação dos sensores;
possibilidade de aplicação de técnicas mais avançadas de processamento
do sinal de vibração, podendo “predizer” de uma forma mais eficiente.
Transdutores de vibração
Aplicação
Transdutores de vibração são essenciais para monitorar a condição de
máquinas, pois serão responsáveis pela transformação do sinal de
vibração em um sinal elétrico que poderá ser processado e analisado de
forma mais efetiva. No entanto, vibrações mecânicas podem ser
analisadas em 3 parâmetros: deslocamento, velocidade e aceleração.
Transdutores de vibração
Medidas de vibração absoluta e relativa
De acordo com a ISO 7919-1:
Medição de vibrações relativas geralmente são realizadas com um
transdutor sem contato que percebe o deslocamento vibratório entre o eixo
e um membro estrutural da máquina (mancal de deslizamento por
exemplo).
Transdutores de vibração
Medidas de vibração absoluta e relativa
Medição de vibrações absolutas são realizadas por um dos seguintes
métodos:
• Por uma sonda eixo-equitação, em que um transdutor sísmico
(acelerômetro ou transdutor de velocidade) é montado de forma que as
vibrações absolutas do eixo sejam medidas diretamente;
• Por um transdutor sem contato que mede vibração relativa do eixo em
combinação com um transdutor sísmico (acelerômetro ou transdutor de
velocidade) que mede a vibração de apoio. Ambos os transdutores devem
ser montados juntos para que eles sofram o mesmo movimento absoluto
na direção de medição. Suas saídas condicionadas são somadas
vetorialmente para fornecer uma medida do movimento absoluto do eixo.
Transdutores de vibração
Transdutores de deslocamento
Os transdutores de deslocamento são geralmente sensíveis a um
movimento relativo, como por exemplo a distância entre o sensor fixo em
um mancal e um eixo vibrando. Os principais tipos são:
• Indutivo;
• Eddy Current;
• Capacitivo.
Sensor do tipo Eddy Current
(Proxímetros)
Sensor Indutivo (Trigger)
Transdutores de vibração
Transdutores de deslocamento
Vantagens
Desvantagens
• Não tem contato com a
superfície de medida;
• Faixa dinâmica é limitada;
• Opera em freqüência
baixas, inclusive DC;
• Não possui partes
móveis, de modo que não
apresenta desgaste.
• Faixa de freqüência
limitada (DC a 200 Hz);
• Variações nas
propriedades magnéticas
do sistema podem
ocasionar componentes
errôneas;
• Necessidade de
calibração local.
Transdutores de vibração
Transdutores de deslocamento do tipo indutivo (Trigger)
Seu funcionamento baseia-se na variação da relutância magnética de um
imã permanente, pela aproximação alternada de um material ferromagnético. Que em movimento periódico gera uma frequência, ou seja, é
utilizado principalmente para a medição de rotação de eixos.
Medição de rotação do eixo
Transdutores de vibração
Experimento de medição de rotação com trigger
Leitura da rotação obtida
Posicionamento do trigger
próximo a chaveta de um eixo
em um osciloscópio
Transdutores de vibração
Experimento de medição de rotação com trigger
Vídeo – Demonstração de medição de rotação com trigger.
Transdutores de vibração
Transdutores de deslocamento do tipo Eddy Current (Proxímetro)
Seu funcionamento baseia-se na geração de um campo magnético por um
oscilador de alta frequência, com a aproximação alternada da peça acaba
provocando um efeito de modulação na amplitude da bobina secundária,
em seguida o sinal é demodulado e transformado a forma de vibração
requerida.
Os proxímetros são normalmente utilizados para monitorar o movimento
relativo entre um eixo e a carcaça de uma máquina.
Transdutores de vibração
Montagem de transdutores de deslocamento
Transdutores de deslocamento normalmente são montados de forma
permanente em máquinas que utilizam mancais planos.
Transdutores de deslocamento devem ser montados com um ângulo de
90º entre si. Preferencialmente em planos de 45º com a vertical em relação
ao rolamento.
Transdutores de vibração
Transdutores de velocidade
Os transdutores de velocidade (pickups) consistem geralmente de bobinas
suspensas em molas. A bobina é deslocada em um campo homogêneo de
um imã permanente através da vibração mecânica. A tensão induzida na
bobina é proporcional ao número de interseções de linhas de força por
unidade de tempo, ou seja, proporcional a velocidade da bobina.
Conector
Mola
Bobina
Imã
permanente
Meio
amortecedor
Transdutores de vibração
Transdutores de velocidade
Vantagens
Desvantagens
• Robusto e resistente a
meios agressivos;
• Faixa dinâmica é limitada;
• Sensibilidade alta em
baixas freqüências;
• Alto sinal de saída com
resistência interna baixa;
• Sensor ativo sem fonte
de alimentação externa.
• Faixa de freqüência
limitada a 2000 Hz;
• Partes móveis passíveis
a desgaste;
• Dimensão considerável;
• Sensível a orientação;
• Necessita calibração
local.
Transdutores de vibração
Transdutores de aceleração
Os transdutores de aceleração normalmente conhecidos como
acelerômetros, em geral utilizam um cristal piezoelétrico, colocado entre a
cobertura da cabeça do sensor e a massa sísmica do sensor. Ao ser
submetido a uma aceleração a massa exerce por inércia uma força no
cristal e a diferença de potencial que aparece entre os terminais preso ao
cristal é proporcional á aceleração medida. Os sensores de aceleração
piezoelétrico medem a aceleração absoluta do movimento. Os modernos
equipamentos eletrônicos de condicionamento de sinais com auxílio de
integradores e diferenciadores permitem avaliar a partir dos acelerômetros
os três parâmetros de monitoramento de vibração.
Transdutores de vibração
Transdutores de aceleração
Vantagens
Desvantagens
• Encapsulamento
hermético e robusto;
• Sensor passivo que
requer fonte externa;
• Compacto;
• Baixa sensibilidade na
faixa inferior de freqüência.
• Ampla faixa de
freqüência;
• Insensível a campos
magnéticos.
Transdutores de vibração
Escolha e parâmetros dos acelerômetros
Na definição do acelerômetro para quantificar a vibração de estruturas é
recomendável definir o acelerômetro de trabalho com massa que não
exceda a 1/10 da massa da estrutura a ser monitorada.
Usualmente os fabricantes de acelerômetros fornecem a curva de
calibração que estabelece a faixa de freqüência de operação, sua
freqüência de ressonância, o ganho (ou sensibilidade). A sensibilidade
usualmente é dada em termos da aceleração da gravidade (g) ou no
sistema internacional em m/s². Também é usual definir a sensibilidade do
acelerômetro em termos da carga em (pC/g) em razão deste sensor
apresentar uma alta capacitância elétrica.
Transdutores de vibração
Tipos de acelerômetros
Os principais tipos de acelerômetros são: o piezoelétrico, o piezorresistivo
e o capacitivo.
Acelerômetro piezoelétrico
Transdutores de vibração
Transdutores de aceleração
Transdutores de vibração
Transdutores de aceleração
Os fabricantes de acelerômetros de
precisão enviam as cartas de calibração
do equipamento com as informações de:
Sensitividade
Freqüências limites
Valores máximos de aceleração
Transdutores de vibração
Transdutores de aceleração
Informações importantes:
- Faixa de resposta em freqüência, contendo a freqüência de ressonância
do acelerômetro
Transdutores de vibração
Montagem dos transdutores de aceleração
Existem vários métodos de fixação, cada um apresentando vantagens e
limitações.
A fixação que apresenta melhor resultado é por parafuso prisioneiro.
A utilização de imã permanente como método de fixação é versátil, mas é
inadequado quando os níveis de aceleração são elevados.
Outro tipo de fixação é através de hastes, este tipo apresenta várias
restrições, em especial a de limitar a freqüência máxima de análise à 1
kHz, acima deste valor as medidas passam a ser não confiáveis. Este
ultimo processo deve ser utilizado somente quando não há possibilidade
de acoplamento rígido e direto com a estrutura.
Transdutores de vibração
Montagem dos transdutores de aceleração
Na figura abaixo são ilustrados as principais de formas fixação de
acelerômetros.
Transdutores de vibração
Montagem dos transdutores de aceleração
Na foto abaixo são ilustrados as principais de formas fixação de acelerômetros.
Fixação com
base magnética
Fixação com
parafuso
prisioneiro
Probes de coleta
com pontas
agudas e circular
Transdutores de vibração
Escolha e parâmetros dos acelerômetros
A escolha dos transdutores de vibração deve ser feita conforme a
freqüência e unidade que se deseja medir.
A tabela abaixo mostra uma relação entre a freqüência a ser medida e a
eficácia do tipo do transdutor:
TRANSDUTOR
0-2 Hz
2-5 Hz
5-200 Hz
200 Hz – 1 kHz
1 – 2 kHz
2-20 kHz
Deslocamento
BOM
BOM
BOM
FRACO
LIMITADO
QUASE
NULO
Velocidade
FRACO
BOM
BOM
BOM
FRACO
POBRE
Aceleração
LIMITADO
FRACO
BOM
BOM
BOM
BOM
Transdutores de vibração
Escolha e parâmetros dos acelerômetros
TRANSDUTOR
0-2 Hz
2-5 Hz
5-200 Hz
200 Hz – 1 kHz
1 – 2 kHz
2-20 kHz
Deslocamento
BOM
BOM
BOM
FRACO
LIMITADO
QUASE
NULO
Velocidade
FRACO
BOM
BOM
BOM
FRACO
POBRE
Aceleração
LIMITADO
FRACO
BOM
BOM
BOM
BOM
Deslocamento
Velocidade
Aceleração
Transdutores de vibração
Referências bibliográficas
Bruel & Kjaer: http://www.bksv.com/Products/TransducersConditioning/VibrationTransducers.aspx
SKF: http://www.skf.com/portal/skf/home/products?contentId=292734&lang=pt
MMF: http://www.mmf.de/vibration_transducers.htm
ENDEVCO: http://www.endevco.com/feature/Feature-751.html
CTC: https://ctconline.com/__100_mv_g___standard_size_(most_common).aspx
GE Bently Nevada: http://www.ge-mcs.com/en/bently-nevada-sensors-and-transducers.html
Schenck: http://www.schenck-usa.com/prod_sensors.html
GIF: http://www.gif.net/en/products/electronics/vibration/